合金成分对镍基高温合金增材可制造性的影响
时间：2022-07-12 11:12 来源：长三角G60激光联盟 作者：admin 阅读：次
研究了镍基高温合金在激光粉末床增材制造过程中对加工诱发裂纹形成的敏感性。证明了合金成分和加工性能之间的强烈相互依赖性。开发了体视学程序，以区分和量化发现的两种主要缺陷类型：凝固裂纹和固态延性倾斜裂纹。使用差示扫描量热法、1000°C下的蠕变应力松弛试验和800°C下的拉伸延展性测量来解释合金成分的影响。提出了一种固态开裂模型，该模型基于无法松弛由受限差热收缩引起的热应力；它的发展得到了使用约束棒冷却试验的实验测量的支持。基于凝固范围，提出了一种改进的凝固开裂准则，但也包括应力松弛效应的贡献。
介绍
增材制造（AM）是一种新工艺，特别适用于金属和合金。通过与基于计算机辅助设计（CAD）的系统紧密集成，以实现真正的数字化制造，它开辟了以显著的几何精度进行多功能部件设计的可能性。但与任何工艺一样，它的成功必须依赖于物质原料，而这正是一个两难的境地。
根据ABD-900AM的ETMT拉伸试验确定的预制微观结构和机械性能。
本文考虑了镍基高温合金。它们以其在航空、高超音速、火箭和更广泛的高温技术中的应用而闻名。首先，其成分的复杂性要求存在多达15种不同的合金元素；这扩大了冻结范围，从而加剧了与凝固相关的开裂，剩余的液体无法填充部分凝固的微观结构，然后通过收缩效应将其拉开。热裂纹仅在高角度晶界（HAGB）上形成，晶界偏析和随后的液膜稳定性影响裂纹的形成。
其次，由于缺乏延展性，高温合金容易发生固态裂纹，特别是在700°C至900°C的所谓延展性下降区。与凝固裂纹更弯曲的性质相比，固态裂纹的特征是其形态长而尖锐。近年来的工作通过增加固溶体强化或通过控制γ素（γ′）含量来限制强度并提高延展性，成功地缓解了此类裂纹的形成。第三，其应用的多功能性需要薄壁和中空结构，以促进轻量化和传热。
在中等（左）和高（右）放大率下对裂纹进行两次EDS线扫描。
本文报告的工作正是基于上述考虑。在这里，我们避免了固定在一个合金系统上的诱惑，然后进行彻底的加工试验，努力找出关键工艺变量（KPV）的最佳组合，以优化制造。
实验
合金成分的选择
本研究研究了12种不同的高温合金成分，包括5种新的成分和7种传统等级，包括中等γ′含量的铸造/变形合金IN625, IN718和WASPaloy，以及广泛用于熔模铸造的IN713, IN738LC, IN939和CM247LC，由于它们的高γ′含量，这些合金显示出优良的蠕变性能。
增材制造
使用波长1075 nm的renishaw AM 400脉冲光纤激光系统，在氩气气氛中通过激光粉末床熔合（L-PBF）方法进行处理。每种合金和几何形状都使用相同的参数进行加工，这些参数是在先决条件研究的基础上选择的，该先决条件研究优化了加工条件，以使用该制造系统最大限度地减少裂纹。
增材制造评估
通过测量裂纹严重程度和形态来评估打印适性。在脉冲激光的情况下，凝固发生在离散的熔化事件中。因此，凝固裂纹的长度必须等于或小于单个熔池半径。为了在更高的空间分辨率上获得关于裂纹机理的进一步信息，使用了蔡司Merlin Gemini 2场发射炮扫描电子显微镜(FEG-SEM)，并配备了牛津仪器(Oxford Instruments) XMax 150 mm/mm2能量色散x射线能谱(EDX)探测器。图1给出了CM247LC在3v直流电下用10%磷酸电解刻蚀后与热处理后显微组织的比较。
图1 (a) L-PBF制备过程示意图，激光在连续的层中熔化粉末，(b)发生凝固和固态裂纹的材料状态和长度尺度，以及相应的SEM图像示例(c)凝固裂纹和(d) IN939中的固态裂纹，以及(e)刻蚀CM247LC在打印状态下的SEM显微图，显示了γ基体、MC碳化物和热处理状态下的CM247LC与γ′沉淀。
机械和应力松弛行为的评估
使用国家物理实验室（NPL）开发的Instron电热机械试验机进行了单轴拉伸、等温应力松弛和约束冷却试验。使用放电加工（EDM）沿构建方向对试样进行加工，尺寸如图2所示。为了消除任何机械加工引起的表面粗糙度的影响，所有表面都用手抛光至4000粒。
图2 应力松弛和约束棒冷却试验期间温度、应变和应力分布随时间变化的示意图，以及所用的样品几何形状。
在室温和800°C下对所有合金进行了等温单轴拉伸试验，该温度代表了塑性下降可能严重的地方。采用非接触式数字图像相关系统测量应变；每种合金重复3次。每种合金的弹性模量在150至300 MPa之间测定。在800°C下测定的模量与平衡γ′体积分数的增加相关，见图3，但可能是由于γ固溶体中γ′形成物的贡献。
图3 （a）在ETMT上自由膨胀条件下进行试验前加热期间测得的平均热膨胀系数α与铝含量（wt-pct）；(b)在800∘C时测定的平均弹性模量与由Thermo Calc获得的800℃馏分的平衡γ '体积分数。误差条表示测量的最小值和最大值。
进行了应力松弛试验，以量化合金释放加工累积应力的能力。如图2所示，将拉伸试样加热至1000°C，使其自由膨胀，然后以25 MPa/s的速度加载至100 MPa，然后立即将试样夹具锁定到位，以观察冷却过程中的应力松弛。通过比较60秒后剩余的应力来对应力松弛能力进行基准测试。
结果
关于裂纹严重程度、形态和机理的评估
实验涉及裂纹的广泛表征，证明了成分对加工性能的显著影响。这在与图4中构建方向相对应的XY横截面法线的光学显微照片中很明显。传统合金IN713、IN738LC、IN939和CM247LC以及两种实验成分ExpAM和ABD850AM+CB中普遍存在裂纹。在IN713和ExpAM中，裂纹在XY平面上的分布是均匀的，而其他裂纹在边缘处的裂纹程度更大，有效激光扫描速度降低。如果暂时不考虑表面开裂的普遍程度，并考虑整体的开裂信息，则此处开发的不同裂纹严重程度测量值的数据计数密度和长度密度彼此一致，见图5。当在纵向XZ平面上进行检查时，裂纹明显沿着构建方向排列，见图6，SEM图像表明所有开裂合金中均存在固态和凝固型裂纹。固态裂纹倾向于呈现出长而直的形态，而凝固裂纹则呈现出更多的锯齿状。
图4 每种合金的XY平面的光学图像，应用二进制阈值，举例说明每种合金中是否存在裂纹。很明显，ExpAM、CM247LC、IN939、IN713、IN738LC和ABD850+CB表现出广泛开裂，因此不易加工。
图5 显示六种未加工合金裂纹长度密度和计数密度的条形图。
图6 XZ平面的光学显微照片，举例说明在CM247LC、IN939、ExpAM和IN713的边缘和内部观察到的裂纹，以及在XZ平面上各合金中观察到的凝固和固态裂纹的SEM显微照片。
通过周面积比μm概率分布的核密度估计，总结了不同合金中裂纹的形态。6种裂纹合金中裂纹周长与面积比μm−1的概率分布的核密度估计总结了不同合金中裂纹的形态，见图7。凝固裂纹以其特征性的锯齿状形态和较低的周长面积比为特征，在IN738LC、IN939、CM247LC和ABD850AM+CB中出现的程度更大。
图7 小提琴图显示了中值、四分位范围、下限/上限相邻值和周长/面积比的概率分布。以及凝固和固态裂纹示例及其相应的周长/面积值。
最后，再次考虑一些合金——IN738LC、IN939、CM247LC和ABD850AM+CB在样品边缘出现裂纹增加的倾向。在样品边缘使用的较慢扫描速度导致较粗的微观结构不太能够适应应变，与大块相比，具有增加纹理成分的较大晶粒。此外，样品边缘处理时具有更大的能量密度和更大的熔体池。
(责任编辑：admin)
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